ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Стародубцев Микола Григорович

УДК 621.317.333

ОПЕРАЦІЙНИЙ КОНТРОЛЬ ФОРМОУТВОРЕННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПЛАСТИН У ВИРОБНИЦТВІ ПРИЛАДІВ ЕЛЕКТРОННОЇ ТЕХНІКИ

05.27.06 – Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2004

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Невлюдов Ігор Шакірович,

Харківський національний університет

радіоелектроніки, завідувач кафедри

технології та автоматизації виробництва

радіоелектронних і электронно-

обчислювальних засобів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

заслужений діяч науки та техніки України Овчаренко Віталій Євгенійович, Державне підприємство „Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування”, Національне космічне агентство України, заступник директора з наукової роботи;

доктор технічних наук, професор

Воронов Сергій Олександрович, Національний технічний університет України „Київський політехнічний Інститут”, завідувач кафедри прикладної фізики Фізико-технічного інституту

Провідна організація Науково-технологічний концерн "Інститут монокристалів" НАН України, науково-технічний центр радіаційного приладобудування, м. Харків

Захист відбудеться 08.07.2004 р, о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: пр. Леніна, 14, м. Харків, 61166.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: пр. Леніна, 14, м. Харків, 61166.

Автореферат розіслано 04.06.2004 р.

Вчений секретар Безрук В.М.

спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Розвиток мікроелектроніки в останні десятиліття пояснюється тим, що вона дозволяє істотно знизити масу і габарити електронного устаткування, складність якого постійно зростає. Широке застосування мікроелектронних виробів і, зокрема, напівпровідникових інтегральних мікросхем (ІМС) дозволяє підвищити апаратурну щільність упакування елементів. Для цього необхідно підвищувати ступінь інтеграції мікросхем.

Однак зростання щільності упакування елементів і ступеня інтеграції утруднює підвищення швидкодії. Тому що при збільшенні щільності упакування елементів зменшуються відстані між ними, що, у свою чергу, збільшує паразитні зв'язки між елементами, а отже, зменшує швидкодію. До аналогічних результатів призводить і збільшення ступеня інтеграції, тому що при цьому неминуче збільшується площа, займана розведенням (струмоведучими шинами і контактними площадками) і, крім того, потрібне використання багатошарового розведення. Усе це збільшує паразитну ємність розведення на підкладку, а, отже, знижує швидкодію мікросхем.

Одним з найбільш перспективних способів збільшення швидкодії є заміна провідної підкладки на непровідну (діелектричну). Таку підкладку виготовляють з діелектричного матеріалу, у який утоплені острівці монокристалічного напівпровідникового матеріалу.

Використання таких підкладок дозволяє практично цілком усунути паразитний зв'язок між елементами ІМС і істотно знизити паразитну ємність розведення. Крім того, використання непровідних підкладок дозволяє підвищити стійкість інтегральних мікросхем до факторів, що призводять до зміни провідності підкладки: температури, світла, різного роду радіаційних впливів і т.д. Однак метод ізоляції елементів мікросхем непровідною підкладкою має істотний недолік – складність технології розкриття острівців монокристалічного напівпровідникового матеріалу, механічною обробкою пластин.

Актуальність теми. В даний час виконання контролю товщини пластин у процесі виробництва інтегральних мікросхем з ізоляцією елементів непровідною підкладкою ускладнюється через відсутність ефективних методів і автоматичних засобів технологічного контролю товщини пластин у процесі виробництва. Операція контролю виконується, як правило, після зупинки обробного пристрою, що призводить до зменшення продуктивності технологічного процесу формоутворення її поверхні. До того ж в процесі вимірювання можливі ушкодження пластин. Це не може не впливати на якість виготовлення ІМС. Крім того, відсутність методів, а також спеціального автоматичного технологічного устаткування не дозволяє використовувати наявні резерви для поліпшення характеристик напівпровідникових приладів.

Таким чином, розробка операційного контролю формоутворення пластин, що застосовуються при виробництві кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією (КСДІ), є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіоелектроніки на кафедрі Технології й автоматизації виробництва РЕЗ та ЕОЗ у рамках держбюджетних науково-дослідних робот: №108-2 „Теоретичні основи логістичних систем у технології автоматизації виробництва радіоелектронного приладобудування”; №162-2 “Дослідження та розробка технології проектування апаратних засобів у складних виробничих системах різного призначення”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення продуктивності технологічного процесу формоутворення пластин і якості їхньої поверхні за рахунок розробки автоматичного операційного контролю товщини пластин в процесі їх формоутворення.

Виконання поставленої мети забезпечується в роботі шляхом вирішення таких задач дослідження, як:–

аналіз сучасних методів ізоляції елементів напівпровідникових пластин і існуючих методів контролю їхньої товщини;–

дослідження фізико-механічних характеристик пластин КСДІ в процесі формоутворення;–

розробка методу і засобів автоматичного операційного контролю товщини пластин і методики проведення вимірів з використанням створеного методу контролю;–

розробка комп'ютерної моделі автоматичного операційного контролю товщини пластин КСДІ;–

розробка технологічного процесу автоматичного контролю товщини пластин і рекомендацій зі створення спеціалізованого робочого місця автоматичного контролю, що реалізує метод виміру товщини пластин у процесі формоутворення.

Об'єктом дослідження є технологічний процес автоматичного контролю товщини пластин.

Предметом дослідження є модель технологічного процесу шліфування КСДІ й автоматичний операційний контроль товщини пластин у процесі виробництва.

Методи дослідження. У процесі вирішення поставленої задачі використовувалися основні закономірності теорії руйнування напівпровідникових матеріалів і методи математичного моделювання фізичних процесів у напівпровідниках, також застосовувалися теорія автоматичного керування й оптимізації, методи прикладного програмування, методи імітаційного моделювання й обробки результатів експериментів із застосуванням ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів:–

вперше отримані математичні залежності для визначення питомого тиску необхідного для вирівнювання пластин перед шліфуванням, що дозволило побудувати критичну область, у залежності від товщини і початкового прогину пластини, в якій не забезпечується повне вирівнювання;–

одержав подальший розвиток метод розрахунку розподілу залишкових напруг і деформацій напівпровідникової пластини, що дозволило здійснити математичне моделювання процесу формоутворення пластин і обґрунтувати можливість контролю їхньої товщини в процесі формоутворення;–

вперше обґрунтоване застосування виміру товщини пластин у процесі формоутворення, що дозволило сформулювати і розробити шляхи вирішення задач сполучення операцій формоутворення пластин і контролю їхньої товщини;–

одержав подальший розвиток ємнісний метод виміру товщини пластин, що дозволило підвищити продуктивність технологічного процесу їхнього формоутворення і розробити автоматичний операційний контроль товщини пластин;–

уперше розроблена комп'ютерна модель автоматичного операційного контролю товщини пластин, що дозволило провести машинний експеримент для оптимізації параметрів системи автоматичного операційного контролю.

Практична значимість отриманих результатів:–

розроблено новий технологічний процес формоутворення пластин, зокрема у частині суміщення операцій формоутворення й автоматичного контролю, що дозволило підвищити його продуктивність на 32%;–

розроблені і впроваджені рекомендації щодо створення спеціалізованого робочого місця автоматичного операційного контролю товщини пластин, що дозволило скоротити технологічний цикл їх виготовлення.

Наведені в дисертаційній роботі результати теоретичних і експериментальних досліджень пройшли дослідне впровадження на підприємстві ХГПЗ ім. Т.Г.Шевченка, а також впроваджені в навчальних процесах в Запорізькому національному технічному університеті, у Національному університеті "Львівська політехніка" і в Житомирському державному технологічному університеті при проведенні занять з дисциплін "Основи мікроелектроніки", "Основи метрології, взаємозамінності і стандартизації", "Основи технології електронних засобів", "Автоматизація виробництва електронної апаратури", що підтверджено актами (від 14.10.2003; 27.10.2003; 23.10.2003) про впровадження.

Особистий внесок здобувача. У основних колективних роботах, що наведені в авторефераті і дисертації, пошукачу безпосередньо належать такі положення: у роботах [1,3] – розробка алгоритму і математичної моделі системи цифрового керування швидкістю електропривода; у роботах [2,4] – задачі дослідження і теоретичні дослідження роздільної здатності ПЗЗ; у роботі [5] – вибір і обґрунтування методу контролю товщини пластин у виробничих умовах і розробка автоматичного операційного контролю товщини пластин; у роботі [6] автором поставлені і проведені на розробленій ним комп'ютерній моделі експерименти, спрямовані на дослідження запропонованого операційного контролю.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися: на 8-й Міжнародній конференції "Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації" (Харків–Туапсе, 2002 р.); на конференціях "Нові технології в машинобудуванні" (Харків–Рибальське 2002, 2003 р.); на науково-технічних семінарах в інституті ХНИИТМ та науково-технічних семінарах в ДП НДТІП.

Публікації. З теми дисертації опубліковано 7 наукових праць, у тому числі 5 статей у виданнях, рекомендованих Вищою атестаційною комісією України для публікацій матеріалів дисертаційних робіт.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів основного змісту, висновків, переліку посилань і додатків. Загальний обсяг дисертації – 179с. Робота містить 89 рисунків на 81 с., 8 таблиць на 8 с., перелік посилань з 57 найменувань на 5 с., додатки на 17 с.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі роботи, наведені відомості щодо наукової новизни та практичної цінності отриманих результатів, стисло розкрито зміст дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз вітчизняних і закордонних літературних джерел з питань, пов’язаних з темою дисертаційної роботи. Визначено, що методи ізоляції елементів ІМС діелектриком мають значні переваги в порівнянні з методом ізоляції обернено зміщеним р–п-переходом: менша відстань між сусідніми ізолюючими областями d, а також геометричні розміри і ємність ізолюючих областей Сі; значно менший струм витоку Івит; більш висока напруга пробою Uпр; підвищена стійкість до впливу іонізуючих факторів. Крім того, використовуючи непровідні підкладки можна вирішити більшість важливих проблем, пов’язаних з виготовленням ІМС: підвищення швидкодії і стійкості до факторів, що призводять до зміни провідності підкладки, зменшення числа шарів розведення.

Однак методи ізоляції за допомогою непровідних підкладок мають істотний недолік, властивий усім методам ізоляції діелектриком – складність якісного виконання технологічної операції шліфування кремнієвих пластин при виконанні операції розкриття острівців, який істотно обмежує поширення даних методів ізоляції. Складність виконання даної операції полягає в тому, що дуже важко правильно визначити час необхідний для зішліфування заданого шару кремнієвої пластини, оскільки він залежить від багатьох параметрів (швидкості шліфування, тиску, стану шліфувальників і т.д.).

Усе це підкреслює важливість оперативного (у процесі обробки) контролю товщини оброблюваної пластини. Необхідний метод що дозволяє проводити „слідкуючий” контроль, що забезпечує зупинку процесу формоутворення по досягненні необхідної товщини пластини, а не після закінчення визначеного (заздалегідь заданого) часу. Тому в підрозділі 1.2 розглянуті існуючі методи контролю, що застосовуються для виміру товщини кремнієвих пластин і можливість їхнього використання в технологічному процесі виготовлення КСДІ.

Проаналізувавши методи контролю, що застосовуються для вимірювання товщини кремнієвих пластин, визначили, що більшість з них не відповідають вимогам, технологічного процесу виробництва КСДІ. Це пояснюється тим, що:–

відсутня можливість проведення вимірів безпосередньо на обробному верстаті (у процесі формоутворення), що утрудняє проведення „слідкуючого” контролю, що забезпечує завершення процесу формоутворення пластин по досягненні необхідної товщини, а не по закінченню заздалегідь визначеного часу;–

існує небезпека створення на поверхні пластин дефектів від часток пилу, абразиву й осколків крайок пластин, що виникають при проведенні вимірів.

Отже для підвищення якості операційного контролю необхідно створити новий метод контролю товщини кремнієвих пластин позбавлений перерахованих вище недоліків. Для цього варто докладно розглянути технологічну операцію шліфування кремнієвих пластин, з метою визначення основних закономірностей процесу шліфування, режимів обробки пластин, застосовуваного спеціального устаткування і матеріалів.

В другому розділі проведене дослідження поводження напівпровідникових пластин у процесі нарощування полікристалічного кремнію і формоутворення.

Розроблено метод розрахунку залишкових напруг у багатошаровій пластині з ізотропними шарами по деформаційних кривих. За допомогою цього методу досліджено розподіл залишкових напруг по товщині пластини КСДІ після нарощування полікристалічного шару, що дозволило визначити характер розподілу і значення напруг, і побудувати усереднену епюру розподілу залишкових напруг, що наведена на рис 1.

Рис. 1

Досліджено процес вирівнювання пластин перед шліфуванням полікристалічного кремнію (ПК) і монокристалічного кремнію (МК). Отримано формулу для визначення питомого тиску необхідного для вирівнювання заданого прогину пластини (1)

(1)

де h – товщина пластини; – радіус пластини; Е – параметр, що характеризує пружні властивості матеріалу; – прогин пластини.

Показано, що, небезпечним випадком є вирівнювання перед шліфуванням ПК. На рис. 2 побудована критична область, у залежності від товщини і початкового прогину пластини, в якій не забезпечується повне вирівнювання і в якій пластина ще не руйнується від надмірних навантажень.

Рис. 2

Досліджено вплив нанесення і зняття напруженого шару, у процесі шліфування, на розподіл напруги і прогин пластини. Результати цього дослідження дозволяють здійснити математичне моделювання процесу механічної обробки пластин.

Наведено конкретний приклад моделювання, в якому у якості вихідних даних прийнято усереднений розподіл залишкових напруг і усереднений початковий прогин, і отримані епюри напруг і прогини на всіх етапах обробки (рис. 3).

Рис. 3

Підсумки моделювання показують, що перерозподіл напруг у пластині, що виникає в процесі механічної обробки, визначає прогин на кожнім етапі обробки. Слід зазначити, що величина прогину кінцевої структури значно залежить від величини і розподілу напруг у порушеному шарі.

На підставі даних, отриманих у результаті моделювання, зроблено теоретичну оцінку напруженого і деформованого стану готової структури КСДІ. Прогин і розподіл напруг у готовій структурі КСДІ визначається залишковими напругами в шарах ПК і МК, що знімаються, і напругами, що наносяться при шліфуванні ПК.

Таким чином, можна зробити висновок про те, що в пластині завжди присутні внутрішні напруження і як наслідок прогин, що призводить до додаткової погрішності виміру товщини пластини методами, що передбачають контроль після обробки. Ґрунтуючись на результатах моделювання процесу механічної обробки пластин, можна припустити, що дана погрішність при вимірах безконтактними методами може досягати 180 мкм. Дану погрішність можна зменшити, використовуючи, наприклад, вакуумні притиски, але ця додаткова операція негативно

позначається на якості поверхні пластини. Отже, метод виміру в процесі обробки, коли пластина вирівняна і затиснута між шліфувальниками, дозволяє одержати потенційно меншу погрішність вимірів.

Таким чином, у результаті досліджень, проведених у розділі, зроблений висновок про необхідність автоматичного контролю в процесі обробки пластин і запропоновано нові шляхи вирішення задачі автоматизації технологічного процесу контролю товщини напівпровідникових пластин у процесі обробки.

У третьому розділі на підставі аналізу результатів підрозділу 1.2 зроблені висновки про те, що існуючі методи контролю товщини пластин не відповідають вимогам до контрольних операцій, що застосовуються в процесі виробництва КСДІ, оскільки не забезпечують проведення контролю в процесі обробки.

Крім того, аналіз технологічного процесу шліфування пластин показує, що:–

у процесі обробки в пластині наводяться залишкові напруги, що призводять до виникнення прогину і, в наслідок цього, до додаткової погрішності при вимірі товщини пластин;–

дану погрішність можна зменшити, застосовуючи різні притискні пристрої, наприклад вакуумний присос, але використання даних пристроїв може призвести до виникнення додаткових нерегулярностей на поверхні пластин.–

для забезпечення точності контролю датчик повинен розташовуватися за межами робочої зони і не повинен безпосередньо контактувати з пластиною, оскільки в противному випадку він буде підпадати під вплив різних факторів діючих у зоні шліфування (температури, вібрації і т.д. ).

Звідси виникає необхідність у розробці операційного контролю, що вимірює товщину кремнієвих пластин у процесі формоутворення шляхом контролю параметра однозначно пов'язаного з товщиною пластини.

Одним з методів виміру товщини пластин, що може бути покладений в основу створення автоматичного операційного контролю товщини пластин, є ємнісний метод, який базується на припущенні, що поточна відстань між верхнім і нижнім шліфувальниками дорівнює (з деяким допуском) поточній товщині оброблюваної пластини і у процесі формоутворення відстань між верхнім і нижнім шліфувальниками змінюється пропорційно зміні товщини пластини.

Технологічна схема запропонованого методу наведена на рис. 4.

Рис. 4. Технологічна схема виміру товщини пластини на основі ємнісного методу:

д – відстань між обкладинками ємнісного датчика;

H – величина переміщення верхнього шліфувальника;

h – величина переміщення рухомої обкладинки ємнісного датчика.

У процесі формоутворення поверхні шліфувальників і поверхні пластин щільно прилягають одна до одної. Абразивний диск торцем притискається до пластин вагою шпинделя. При обертанні диска алмазні зерна, рівномірно розподілені по робочій поверхні алмазного шліфувального диска, служать мікрорізцями, що при обертанні дряпають поверхню пластин, зрізаючи виступи. Поверхня пластин покривається сіткою пересічних подряпин, тріщин, відбувається відділення часток матеріалу, що видаляються з робочої зони охолоджуючою рідиною. Товщина пластини зменшується і верхній шліфувальник опускається вниз на величину зішліфованого шару напівпровідникової пластини Н. Це переміщення через жорсткі балки передається на датчик переміщення, у якому під впливом зміни відстані h змінюється величина ємності. Ємність датчика переміщення визначає частоту автогенератора, що використовується для перетворення зміни ємності датчика в зміну частоти автогенератора. Далі сигнал змінної частоти з виходу автогенератора подається на вхід підсилювача і через АЦП, на мікропроцесор, де й обробляється.

Для автоматичного виміру лінійних переміщень використовуються різного роду датчики: оптичні, індуктивні, ультразвукові і ємнісні.

Максимальну точність вимірювання забезпечують оптичні вимірювачі, у першу чергу лазерні, фотоелектричні з кодовими масками та ін. Однак їх недоліки, такі як значна складність і габарити (особливо лазерних вимірювачів), недостатня вібростійкість і висока вартість обмежують область їх застосування.

Значного поширення одержали також різноманітні вимірювачі з датчиками, що базуються на ефекті електромагнітної індукції. Цей клас датчиків дозволяє легко автоматизувати процес виміру, однак прилади на їх основі по точності виміру істотно поступаються оптичним вимірювачам.

Набагато менше уваги приділяється вимірювачам переміщення з ємнісними датчиками. При цьому висловлюється думка, що малі ємність і вихідна потужність такого датчика сильно обмежують точність виміру переміщення, а крайові ефекти значно впливають на характеристику перетворювача. Однак проведені дослідження, в області прецизійного виміру малих ємностей, дозволяють стверджувати, що мала ємність датчика не є істотним чинником, що обмежує точність виміру в таких системах. Крім того, ємнісний датчик дає можливість отримати вимірювачі переміщень з високолінійною і строго розрахунковою перехідною характеристикою. Ці обставини обумовлюють перспективність даного класу вимірювачів переміщень стосовно автоматичного контролю товщини пластин.

Варто сказати також, що важливою перевагою ємнісних датчиків у порівнянні з іншими типами датчиків є можливість реалізації будь-якої залежності зміни ємності від зміни вимірюваної величини – для нашого випадку лінійної.

Виходячи з усього вищесказаного, як датчик переміщення вибираємо плоскопаралельний ємнісний датчик, у якому в якості діелектрика застосовується повітря.

У даному випадку, коли діелектриком датчика є повітря, а геометричні розміри електродів датчика a і b відносяться до відстані між електродами як і

, ємність датчика визначається за такою формулою:

(2)

де a і b – геометричні розміри електродів датчика;

с – товщина електродів;

д – ?ідстань між електродами.

Отримане значення ємності датчика можна розкрити так:

(3)

де С0 отримано за відомою формулою

(4)–

основна ємність ємнісного датчика;

S – площа обкладок ємнісного датчика;

(5)

Св – ємність датчика в силу наявності полів розсіювання.

В нашому випадку змінюється площа перекриття пластин , а рух рухомої обкладинки відбувається уздовж осі Z, тому в якості параметру, що буде змінюватися, отримуємо висоту рухливої пластини а. Виходячи з запропонованої конструкції установки контролю, величина переміщення рухливої обкладинки дорівнює величині переміщення верхнього шліфувальника . Звідси

Таким чином, контроль товщини пластини можна здійснювати за допомогою ємнісного датчика, вимірюючи переміщення базових площин, безпосередньо зв'язаних з оброблюваною пластиною. Це дозволить автоматизувати процес контролю з огляду на такі властивості датчика, як:–

лінійність характеристики;–

стабільність роботи.

Далі на підставі розробленого методу створена структурна схема автоматичного операційного контролю товщини пластини безпосередньо в обробній установці. Основні функціональні блоки моделі (рис.5): датчик, підсилювач, аналого-цифровий перетворювач, мікроконтролер, цифро-аналоговий перетворювач, вихідний підсилювач і двигун.

Відповідно до представленої структурної схеми операційний контроль працює в такий спосіб. Вплив F змінює стан об'єкта контролю (товщину пластини), датчик фіксує цю зміну і перетворює її в електричний сигнал. Цей сигнал надходить на вхід підсилювача. Аналого-цифровий перетворювач перетворить аналоговий сигнал, що надходить на його вхід з виходу підсилювача, у цифровий код, що приймається й обробляється мікроконтролером за заданим алгоритмом. Мікроконтролер забезпечує обчислення величини, необхідної для видавання керуючого впливу на двигун. Ця величина перетворюється в цифро-аналоговому перетворювачі і посилюється підсилювачем. Отже, посилений аналоговий сигнал надходить на вхід блока електропривода, який використовується для плавної зміни швидкості за заданим законом і зупинки процесу формоутворення пластин за певним керуючим сигналом.

Рис. 5. Структурна схема системи автоматичного операційного контролю

Використовуючи обчислені передатні функції кожного блока, отримуємо передатну функцію розімкнутої системи автоматичного регулювання:

(7)

Проведено теоретичний аналіз розробленої автоматичної системи операційного контролю й оптимізацію параметрів її основних функціональних блоків за допомогою частотного критерію Найквіста й аналізу перехідного процесу при наявності на вході одиничного східчастого впливу. Як критерії оптимізації прийняті: мінімальний час регулювання і перерегулювання, максимальні запаси стійкості по амплітуді і фазі, а також стійкість системи.

Стійкість розробленої автоматичної системи контролю визначалася відповідно до виведеної формули:

(8)

Дана формула дозволяє оцінити запаси стійкості системи по амплітуді і фазі за допомогою частотних критеріїв, зокрема критерію Найквіста, згідно з яким замкнута система буде стійка, якщо характеристика її розімкнутої частини не охоплює точку з координатами (-1, j0).

З цією метою побудована амплітудно-фазова частотна характеристика розімкнутої частини, з використанням формули (8), при зміні псевдочастоти в широких межах, а потім проведений аналіз її за критерієм Найквіста.

За отриманою характеристикою системи визначені два параметри якості:–

запас стійкості по амплітуді;–

запас стійкості по фазі.

Запас стійкості визначає ступінь близькості замкнутої системи до границі її стійкості. Запас стійкості по амплітуді обчислений за формулою:

(9)

де A1 – точка з координатами (-1, j0) на площині jv;

A2 – точка перетинання частотної характеристики з дійсною віссю площини jv.

Запас стійкості по фазі визначається в точці перетину графіка з окружністю одиничного радіуса, проведеної з початку координат, як кут між двома радіусами за формулою:

(10)

де Q – уявна частина формули (8);

Р – дійсна частина тієї ж формули.

З метою визначення прямих показників якості перехідного процесу побудований перехідний процес при дії на вхід замкнутої системи одиничного стрибка напруги.

Для обчислення характеристики перехідного процесу визначається перехідна функція замкнутої системи:

(11)

Маючи, таким чином, графік перехідного процесу, визначаємо прямі показники якості (рис.7,а).

Часом регулювання tp називається мінімальний час, після закінчення якого (з моменту подачі одиничного стрибка напруги), відхилення вихідної величини від сталого значення не перевищує деякої заданої величини. Звичайно,

(12)

де х(?) – стале значення перехідної характеристики.

Такий параметр, як перерегулювання, відповідає максимальному відхиленню xmax регульованої величини від сталого значення і виражається у відсотках від х(Д).

(13)

де xmax – максимальне значення перехідної функції.

Графіки перехідного процесу й АФЧХ наведені на рис. 6.

Рис. 6. Графіки перехідного процесу й АФЧХ

Отже, у результаті порівняння характеристик розглянутого перехідного процесу з заданими відповідно до критеріїв оптимізації, визначені параметри регулятора, як основного функціонального блока системи. Для розробленої системи оптимальними є наступні параметри:–

період квантування 4.01 10-4 с;–

період інтегрування 9.9 10-5 с;–

період диференціювання 9.99 10-5 с.

При цьому система є стійкою (запас стійкості за амплітудою дорівнює 0.945, запас стійкості за фазою складає 2.25 град), а час регулювання не більше 4.41 10-3 мс, що забезпечується перерегулюванням 63.15 %.

У результаті одержуємо передатну функцію модуля мікроконтролера, що реалізує пропорційно-інтегрально-диференціальний закон регулювання з коефіцієнтами С0=1.249; C1=2.511; С2=0.249.

Числовими показниками якості системи в сталому режимі є коефіцієнти помилок. Коефіцієнти помилок, що характеризують якість системи в сталому режимі, визначаються за формулою:

(14)

Таким чином, для визначення коефіцієнтів помилок необхідно знайти передатну функцію замкнутої системи для помилки і за правилом розподілу багаточленів (чисельника на знаменник) одержати нескінченний ряд, коефіцієнти якого, помножені на п!, відповідають шуканим коефіцієнтам помилок.

У розглянутому випадку передатна функція замкнутої системи для помилки матиме вигляд:

(15)

А результат запишеться як

(16)

Отже, шляхом розрахунків встановили, що коефіцієнти помилок будуть становити: С0=0; С1=0; С2=5.76; С3=912.96 і так далі. Звідси можна зробити висновок, що аналізована система має астатизм другого порядку. Це означає, що замкнута система обробляє задавальні впливи, як постійні так і змінювані, з постійною швидкістю, але має сталу помилку при зміні впливу з постійним прискоренням.

Таким чином, теоретичний аналіз розробленої автоматичної системи контролю пластин з метою підвищення ефективності й урахування взаємного впливу різних її показників показує можливість регулювання параметра, що контролює товщину пластин, за час не більше ніж 4,41 мс при періоді квантування 0,401 мс, що відповідає вимогам до динамічних характеристик системи контролю.

Для створеного методу контролю товщини пластин розроблена методика проведення вимірів, що визначає склад робочого місця контролю і послідовність дій при проведенні вимірів.

У четвертому розділі розглядається розроблена комп'ютерна модель системи автоматичного операційного контролю товщини пластин, створена за допомогою середовища візуально-орієнтованого програмування Sіmulіnk, що входить у програму MATLAB Versіon 6.5.0. Release 13. Модель складається з підсистем: датчика-перетворювача (Датчик); підсилювача з підсистемою корекції (ПП); АЦП; мікропроцесора (МП); керування приводом (КП). Комп'ютерна модель технологічної системи операційного контролю (рис.7) призначена для моделювання роботи автоматичного операційного контролю товщини пластин.

Рис. 7. Комп'ютерна модель технологічної системи автоматичного операційного контролю

Джерелом вхідного впливу служить вихідний сигнал датчика (ємнісний датчик переміщення). Вихідний сигнал підсистеми датчика надходить на вхід підсистеми ПП, куди входять сам підсилювач і система періодичної корекції напруги зміщення шляхом його зміни і введення відповідної коригувальної напруги. У підсистемі підсилювача відбувається посилення вихідного сигналу перетворювача до заданого значення. Для підвищення точності роботи системи контролю модуль посилення повинен мати мінімальну похибку обробки сигналу. Найбільш ефективним методом зменшення такого виду похибки є періодична корекція. Таке регулювання може бути здійснене за допомогою системи періодичної корекції напруги зміщення шляхом його зміни і введення відповідної коригуючої напруги.

Посилений сигнал з виходу підсилювача подається на вхід підсистеми АЦП, що моделює роботу аналого-цифрового перетворювача. Призначення підсистеми перетворення виду "напруга – цифровий код".

З виходу АЦП квантований за часом і рівнем сигнал подається на вхід підсистеми порівняння. Система здійснює порівняння отриманого в результаті виміру значення товщини пластини із заданим значенням і у випадку збігу видає команду на зупинку двигуна. Сигнал зупинки подається на вхід блоку Вимикач підсистеми КП.

Також до складу підсистеми мікропроцесора входить автономна підсистема автоматичного регулювання швидкості електропривода. Модуль автоматичного регулювання швидкості електропривода складає електронну частину системи керування приводом. Він призначений для видачі заданого значення частоти обертання на ТПЧ (у виді керуючої послідовності імпульсів) і для стабілізації заданої частоти обертання приводу (корекції помилки, що виникає під дією зовнішніх впливів). Керуючий сигнал (задане значення частоти) з блока Регулятор струму підсистеми МП подається на вхід блока Силовий модуль підсистеми КП, що є силовою частиною системи керування приводом. Підсистема призначена для живлення двигуна напругою заданої частоти й амплітуди. Підсистема забезпечує роботу двигуна доти, поки з виходу підсистеми порівняння підсистеми МП не надійде команда на вимикання двигуна. За цією командою блок Вимикач відключає привід від живлення, процес формоутворення завершується.

За допомогою вікна виміру параметрів асинхронного двигуна знімаємо дані про параметри асинхронного двигуна, що характеризують його роботу, і реєструємо їх за допомогою віртуальних вимірювальних приладів.

Таким чином, розроблена комп'ютерна модель автоматичної технологічної системи контролю дозволяє проводити моделювання поводження системи в цілому з метою перевірки працездатності й ефективної оцінки параметрів системи в кожен конкретний момент часу, а також дає змогу адаптувати параметри системи для відпрацювання заданого закону зміни швидкості обертання двигуна у відповідності до вимог технологічного процесу.

У п'ятому розділі наведені результати експериментальної перевірки запропонованих теоретичних положень.

Дослідження проводилися на експериментальній установці, що складається: з верстата плоского шліфування МШ-259 зі змонтованим на ньому ємнісним датчиком; системи обробки результатів вимірів і видачі керуючих впливів на двигун.

У процесі експериментів проводилася перевірка: теоретичних положень, що обґрунтовують запропонований метод автоматичного виміру товщини напівпровідникових пластин у процесі формоутворення; відповідність метрологічних характеристик методу вимогам ТП виробництва структур КСДИ; повторюваність результатів.

Експерименти виконувалися за наступною методикою:

1. Проводився контрольний вимір товщини пластин і в партію відбиралися зразки з допуском на товщину 1 мкм.

2. Пластини приклеювалися до блоків, встановлюваних на карусель, і запускався процес формоутворення, результати вимірів вводилися в ЕОМ, де проводилась їхня обробка і формувався графік залежності H = ц(f).

3. Періодично процес формоутворення зупинявся і проводився контрольний вимір товщини пластин.

4. Після автоматичної зупинки процесу формоутворення, по досягненні заданої товщини пластини, проводився контрольний вимір товщини пластин і обробка отриманих результатів.

Була проведена серія експериментів, що моделювала роботу автоматичного операційного контролю в умовах коливань параметрів зовнішнього середовища (температури, вологості і тиску). Результати досліджень представлені на рис. 8 і 9.

У результаті аналізу отриманих результатів було визначено, що експериментальний макет дозволяє проводити контроль товщини пластини у процесі формоутворення.

Рис. 8 – Графік залежності H = ц(f)

Рис. 9 – Графік залежності H = ц(f)

Однак з погляду забезпечення необхідної точності вимірів і повторюваності результатів вимірювальна установка не забезпечила необхідних показників. Аналіз можливих причин виникнення погрішностей показав, що:–

не забезпечується стабільність нульової точки ємнісного датчика і стабільність коефіцієнта передачі перетворювача місткість-частота;–

на точність вимірів значно впливають вібрації робочих органів у процесі роботи станка.

Було визначено, що для усунення нестабільності нульової точки ємнісного датчика і нестабільності коефіцієнта передачі перетворювача необхідно перед початком процесу формоутворення проводити калібрування й установку нуля датчика. Для калібрування був застосований високоточний лазерний датчик переміщення ZX-LD30V. Даний датчик забезпечує точність вимірів 0,25 мкм, але в силу своєї конструкції і методу виміру дуже чутливий до вібрації, що дозволяє використовувати його лише в процесі калібрування.

Вібрації, що діють на датчик, можна розкласти по трьох осях. Виходячи з особливостей конструкції верстата можна припустити, що найбільші проекції вектора вібрацій будуть по осях Х и Y, що обумовлено биттям шпинделя в горизонтальній площині, рухом пластин у процесі шліфування й ін. Для зменшення впливу вібрацій по осі Х була застосована конструкція датчика, у якій розмір нерухомої обкладки по осі Х був обраний більше, ніж рухомої, що дозволило забезпечити незмінність ємності при мікрорухах рухливої обкладки по осі Х. Для зменшення впливу вібрацій по осі Y, при яких ємність змінювалася через зміну відстані між обкладками при вібрації, була обрана конструкція датчика при якій кожна секція ємнісного датчика складалася з двох нерухомих обкладок і однієї рухомої обкладки між ними, в результаті чого ємність секції складалась з двох послідовно з’єднаних ємностей, якщо одна з них збільшувалася то друга зменшувалася, а результуюча ємність секції залишалася незміною.

Мінімізація вібрацій по осі Z забезпечується конструкцією верстата і технологією шліфування (за рахунок сталості тиску уздовж осі Z).

Після проведення перерахованих вище заходів знову була проведена нова серія експериментів. Експерименти проводилися за вищенаведеною методикою з урахуванням попереднього калібрування й установки нуля датчика перед шліфуванням пластин.

Була проведена серія експериментів, що моделювала роботу автоматичного операційного контролю в умовах коливань параметрів зовнішнього середовища (температури, вологості і тиску). Типові результати досліджень представлені на рис.10.

Рис. 10 – Графік залежності H = ц(f)

Аналіз результатів показав, що усунення недоліків, виявлених у першій серії експериментів, дозволило забезпечити стабільність нульової точки ємнісного датчика і стабільність коефіцієнта передачі перетворювача й істотно підвищити точність вимірів.

Таким чином, у результаті серії експериментів були визначені фактори, що впливають на датчик у процесі формоутворення, проведені заходи щодо мінімізації й усунення їхнього впливу, що дозволило забезпечити вимір з точністю 2 мкм, що відповідає вимогам ТП виробництва структур КСДІ. Також експерименти довели справедливість теоретичних положень, що обґрунтовують запропонований метод автоматичного виміру товщини напівпровідникових пластин у процесі формоутворення, і дозволили на практиці підтвердити припущення про істотне підвищення продуктивності процесу формоутворення напівпровідникових пластин у результаті застосування даного методу виміру.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз існуючих методів контролю товщини напівпровідникових пластин у виробництві приладів електронної техніки, що дало можливість визначити вимоги до операційного контролю товщини напівпровідникових пластин у процесі виробництва КСДИ;

2. В результаті дослідження фізико-механічних характеристик пластин КСДІ в процесі формоутворення одержав подальший розвиток метод розрахунку розподілу залишкових напруг і деформацій напівпровідникової пластини, що дозволило створити математичну модель процесу формоутворення пластин;

3. В результаті моделювання процесу формоутворення пластин отримані епюри напруг і прогини на всіх етапах обробки, що дало можливість визначити ступінь впливу деформацій на точність контролю і обґрунтувати необхідність контролю товщини пластин в процесі формоутворення, шляхом сполучення операцій обробки і контролю;

4. Сформульовано і розроблено нові підходи до вирішення задач сполучення операцій формоутворення пластин і контролю їхньої товщини, що дозволило обґрунтувати можливість створення методу автоматичного операційного контролю товщини пластин у виробничих умовах на базі ємнісного методу;

5. Одержав подальший розвиток ємнісний метод виміру товщини напівпровідникових пластин, що дозволило розробити систему автоматичного операційного контролю товщини пластин в процесі формоутворення на його основі;

6. Проведені дослідження залежності параметрів ємнісного датчика (величини ємності, вихідної потужності, форми характеристики перетворення, точності) від конструктивного вирішення, що дало можливість визначити оптимальну конструкцію датчика – багатосекційний конденсатор, в якому ємність залежить від площі перетину обкладок;

7. Розроблена математична модель системи автоматичного операційного контролю товщини пластин в процесі формоутворення, що дозволяє визначити необхідні для стабільної роботи параметри системи з швидкодії, стійкості системи, якісних характеристик;

8. Розроблена комп'ютерна модель системи автоматичного операційного контролю, що дозволило оптимізувати критерії працездатності автоматичного операційного контролю товщини пластин і тим самим підвищити ефективність контролю в цілому;

9. В умовах максимально наближених до реальних проведені експериментальні дослідження запропонованого методу автоматичного операційного контролю товщини пластин і макету експериментальної установки, створеної на його основі, що дало можливість визначити недоліки системи контролю і вимоги до підвищення точності і завадостійкості;

10. Розроблено нову конструкцію датчика і схему перетворювача, що передбачають захист датчика від вібрацій і можливість коректування його характеристики перетворення, що дало можливість забезпечити необхідну точність вимірів і повторюваність результатів;

11. Розроблено новий технологічний процес автоматичного операційного контролю товщини напівпровідникових пластин в процесі формоутворення і рекомендації для створення спеціалізованого робочого місця автоматичного операційного контролю товщини пластин, яке використовується в даному технологічному процесі, що дозволило скоротити технологічний цикл їхнього виготовлення і підвищити якісні показники. Наведені в дисертаційній роботі результати теоретичних і експериментальних досліджень пройшли дослідне впровадження на підприємстві ХГПЗ ім. Т.Г.Шевченка, а також впроваджені в навчальних процесах в Запорізькому національному технічному університеті, у Національному університеті "Львівська політехніка" і в Житомирському державному технологічному університеті, що підтверджено актами про впровадження.

12. Розроблений у роботі метод автоматичного операційного контролю дозволяє проводити вимір з точністю 2 мкм, що дає можливість підвищити продуктивність процесу формоутворення пластин на 32%, а також дозволяє підвищити якість поверхні пластин.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Невлюдов И. Ш., Стародубцев Н.Г., Андруcевич А.А., Раздоловский Ю.М. Автоматизация техпроцесса управления скоростью вращения электропривода. //Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2002. – Вип.– 32.– С. 197–201.

2. Невлюдов И. Ш., Стародубцев Н.Г., Андруcевич А.А., Раздоловский Ю.М. Цифровая система автоматического контроля геометрических размеров объектов с использованием датчиков изображения на ПЗС. //Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2002. – Вип.– 33.– С. 229–232.

3. Невлюдов И. Ш., Стародубцев Н.Г., Андруcевич А.А., Раздоловский Ю.М. Микропроцессорное управление скоростью вращения электропривода. //Сб. науч. тр. 8-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”.– Харьков: ХНУРЕ, 2002. – С. 49-56.

4. Невлюдов И. Ш., Стародубцев Н.Г., Андруcевич А.А., Раздоловский Ю.М. Разрешающая способность преобразователей оптического изображения на основе ПЗС. //Сб. науч. тр. 8-й Междунар. конф. “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”.– Харьков: ХНУРЕ, 2002. – С. 82–88.

5. Невлюдов И.Ш., Стародубцев Н.Г. Контроль толщины полупроводниковых пластин в процессе производства. //Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2003. – Вип.– 39/4. – С. 112116.

6. Невлюдов И. Ш., Стародубцев Н.Г. Моделирование процесса автоматизированного контроля формообразования полупроводниковой пластины. //Авіаційно-космічна техніка і технологія. – 2003. – Вип.– 38/3. – С. 102–107.

7. Стародубцев Н.Г. Расчет напряжений в полупроводниковых пластинах при их выравнивании. //Технология приборостроения. – 2003. №1.– С. 26–29.

АННОТАЦИЯ

Стародубцев Н.Г. Операционный контроль формообразования полупроводниковых пластин в производстве приборов электронной техники. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.06.–“Технология, оборудование и производство электронной техники”. Харьковский национальный университет радиоэлектроники. Харьков, 2004.

Защищается рукопись, которая включает результаты теоретических и экспериментальных исследований по повышению эффективности процесса шлифовки полупроводниковых пластин в процессе изготовления ИС с изоляцией элементов непроводящей подложкой. Проведен анализ существующих методов контроля толщины пластины, применяющиеся в данном техпроцессе, определены их достоинства и недостатки. Сделан вывод о необходимости проведения операционного контроля в процессе обработки. Для проверки данного вывода проведено математическое моделирование процесса формообразования пластин. Теоретически оценены распределения напряжений и прогиба готовой структуры КСДИ.

На основании анализа результатов